海洋修井機井架承載能力評估及分級研究

張士超，張 臣，吳奇兵，徐光鵬，楊國斌

中海油安全技術(shù)服務(wù)有限公司 （天津300450）

修井機井架作為修井機起升設(shè)備的重要組成部分，在海洋石油修井作業(yè)中起著至關(guān)重要的作用。在未有統(tǒng)一的井架安全評定標準之前，國內(nèi)主要采用結(jié)構(gòu)可靠性理論進行評估，通過求得可靠性指標判定井架安全性能[1-4]。在2012年推出標準SY 6326—2012《石油鉆機和修井機井架底座承載能力檢測評定方法及分級規(guī)范》[5]，此標準規(guī)定了井架承載能力分級標準、檢測評定周期及報廢條件，為石油井架承載能力檢測評定的具體實施奠定了基礎(chǔ)。該標準依據(jù)API Spec 4F—2013《鉆井和修井井架、底座規(guī)范》[6]和AISC 335—1989《鋼結(jié)構(gòu)建筑設(shè)計規(guī)范》[7]推薦的相關(guān)理論和方法進行計算評定，規(guī)范了實際工程中井架檢測評定內(nèi)容及要求。

目前國內(nèi)對鉆修井井架承載能力評定都是以SY 6326—2012為基礎(chǔ)，但針對不同形式的井架并沒有進行相應(yīng)的優(yōu)化[8-11]。以某B平臺修井機井架為研究對象，參照標準要求，結(jié)合井架特性及現(xiàn)場作業(yè)情況，對井架應(yīng)力測試加載方法進行優(yōu)化。依據(jù)標準推薦的結(jié)構(gòu)校核理論，基于VB編寫了井架承載能力評估軟件進行井架結(jié)構(gòu)校核。此外，為全面綜合的評估井架承載能力，運用ABAQUS有限元分析軟件對井架進行多種工況下的仿真分析。

1 井架承載能力測試

1.1 測試儀器

應(yīng)力測試采用美國BDI（Bridge Diagnostics,Inc.）結(jié)構(gòu)應(yīng)力測試系統(tǒng)。系統(tǒng)包括應(yīng)變傳感器、節(jié)點模塊、工作基站及移動電源。BDI應(yīng)變傳感器具有高精、智能、便攜、高效的優(yōu)點。系統(tǒng)采用無線測量技術(shù)，免除了電纜運輸和連接的繁重工作，大大地提高了測試效率和測試人員的安全性，非常適合在石油井架等塔架結(jié)構(gòu)中使用。

1.2 布點方案

B平臺修井機井架為直立、前開口K型、側(cè)開門、無繃繩、液壓起升、液壓伸縮結(jié)構(gòu)，設(shè)計最大鉤載為2 250 kN。井架高33 m，分為井架上段、井架下段、人字架三部分。底座包括上底座、下前底座及下后底座，整個井架結(jié)構(gòu)左右對稱。

布點位置的確定應(yīng)依據(jù)標準[5]測點布置原則，同時結(jié)合現(xiàn)場情況，在滿足標準要求的前提下盡量選擇現(xiàn)場易操作的位置。確定加載布點截面為兩個，詳細布點方案如圖1所示。

圖1 測點布置示意圖

1.3 加載工況

B平臺修井機井架最大承載能力為2 250 kN。測試載荷為鉤載，按要求應(yīng)不小于設(shè)計鉤載的25%（562.5 kN）。為保證數(shù)據(jù)準確性，重復(fù)3次測試，每次測試不少于5個載荷值，見表1。測試前儀器初始化調(diào)零，加載時每一級載荷靜止30 s以便記錄數(shù)據(jù)。加載方式利用大鉤上提放置在底座轉(zhuǎn)盤主梁處的加載工裝，通過指重表直接讀取施加載荷值。

1.4 測試數(shù)據(jù)采集

按照加載方案進行逐級加載，采集的應(yīng)變數(shù)據(jù)如圖2所示。

2 井架結(jié)構(gòu)校核軟件開發(fā)

2.1 結(jié)構(gòu)校核理論

對于石油鉆機、在用修井機井架的承載能力極限狀態(tài)計算按AISC 335—1989的規(guī)定進行[5]。井架強度應(yīng)滿足公式（1）和公式（2）的要求。

表1 井架應(yīng)力測試加載載荷值

圖2 載荷-應(yīng)變曲線圖

在上式中，與下標b、m和e結(jié)合在一起的下標x和y表示某一應(yīng)力或設(shè)計參數(shù)對應(yīng)的彎曲軸。

式中：fa為井架承受設(shè)計最大鉤載時測試桿件的軸心拉壓應(yīng)力，MPa；Fa為容許采用的軸心拉壓應(yīng)力，MPa；fb、Fb分別為井架承受設(shè)計最大鉤載時測試桿件的x軸、y軸壓縮彎曲應(yīng)力，MPa；Fbx、Fby分別為只有彎矩存在時x軸、y軸容許采用的彎曲應(yīng)力，MPa；Fex′為x軸除以安全系數(shù)后的歐拉應(yīng)力，MPa，F(xiàn)ey′為y軸除以安全系數(shù)后的歐拉應(yīng)力，MPa，采用式（4）進行計算；Fy為材料屈服應(yīng)力，MPa；Cmx與Cmy為系數(shù)，對于端部受約束的構(gòu)件：Cm=0.85[7]。

式中：E為彈性模量，MPa；lb為彎曲平面內(nèi)的實際無支撐長度，mm；rb為回轉(zhuǎn)半徑，mm；K為彎曲平面內(nèi)的有效長度系數(shù)，mm。

當只有軸心拉壓應(yīng)力存在時容許采用的軸心拉壓應(yīng)力Fa按下列公式計算。

1）當任一無支撐部分的最大有效長細比Kl/r小于Cc時，橫截面符合AISC 335—1989標準1.9節(jié)的規(guī)定，其毛截面上的容許拉壓應(yīng)力Fa按公式（5）計算：

式中：l為彎曲平面內(nèi)的實際無支撐長度，mm；r為回轉(zhuǎn)半徑，mm；K為彎曲平面內(nèi)的有效長度系數(shù)，mm；Fy為桿件材料的最小屈服應(yīng)力，MPa；Cc為區(qū)分彈性和非彈性屈曲的桿件的長細比。

2）當Kl/r大于Cc時，軸心受拉壓構(gòu)件毛截面上的容許拉壓應(yīng)力按公式（7）計算：

2.2 校核軟件開發(fā)

在利用校核公式進行井架承載能力評估工作中，計算過程繁瑣、復(fù)雜，且易出錯。針對這種狀況，筆者應(yīng)用VB開發(fā)工具，編寫了井架承載能力評估分級軟件（圖3）。該軟件包括基本參數(shù)輸入、應(yīng)力數(shù)據(jù)輸入、應(yīng)力擬合、結(jié)構(gòu)校核計算及自動評級等功能模塊。

圖3 井架承載能力評估分級軟件

本套軟件特點：①有原始應(yīng)力測試數(shù)據(jù)處理能力，可自動擬合出井架額定鉤載下的應(yīng)力值；②考慮了海油系統(tǒng)內(nèi)井架應(yīng)力測試習慣，可依據(jù)現(xiàn)場測試工況靈活選擇載荷輸入模式，可輸入多級載荷值；③多種桿件界面類型；④以VB工具為開發(fā)平臺，利于功能擴展；⑤無需安裝，打開即可使用。

2.3 校核結(jié)果及驗證

該井架主肢為矩形鋼，截面尺寸：長200 mm、寬180 mm、厚8.5 mm，井架上段斷面A處桿件無支撐長度2 400 mm，井架下段斷面B處桿件無支撐長度2 625 mm。鋼材為Q345A，彈性模量2.06×105MPa，屈服極限345 MPa。

將井架相關(guān)力學參數(shù)，桿件參數(shù)及測試數(shù)據(jù)輸入到軟件中，計算出結(jié)構(gòu)校核系數(shù)UC值見表2。

表2 井架結(jié)構(gòu)校核系數(shù)結(jié)果

為驗證軟件計算程序正確性，筆者采用Excel等軟件對計算結(jié)果復(fù)驗，證明軟件計算結(jié)果可靠。

通過結(jié)構(gòu)校核結(jié)果可知：該井架在外加載荷2 250 kN作用下，井架承載最不利位置出現(xiàn)在A斷面右前腿處，最大校核系數(shù)為0.57＜1.0，因此該井架強度滿足要求。根據(jù)標準的評定條件，該井架實際承載能力為2 250 kN，評為A級，有效期為3年。

3 井架及底座有限元仿真

現(xiàn)場應(yīng)力測試能最真實反映井架現(xiàn)有承載能力，但只能評估出井架靜載、無風等理想工況下的受力狀態(tài)，有一定局限性。為全面評估出B平臺修井機井架及底座安全狀況與作業(yè)能力，對其進行多種工況下的有限元分析，探討其現(xiàn)有承載能力，以彌補現(xiàn)場測試的不足。

3.1 井架及底座有限元模型

通過現(xiàn)場實測以及圖紙資料，獲取修井機井架及底座總體結(jié)構(gòu)尺寸以及桿件的截面參數(shù)。由于井架及底座的結(jié)構(gòu)較為復(fù)雜，為了減少計算工作量，在使用ABAQUS建模時，結(jié)合井架及底座的特點，在滿足計算精度的情況下，對井架及底座的實際結(jié)構(gòu)進行簡化，建立接近實際結(jié)構(gòu)的力學模型[10-12]。井架及底座分別選用Q345A鋼及Q235鋼，彈性模量為206×103MPa，泊松比為0.3，密度為7 850 kg/m3。

3.2 載荷及分析工況

井架載荷包括恒載、工作載荷、風載荷、立根載荷。根據(jù)設(shè)計資料及現(xiàn)場調(diào)研，計算匯總見表3。

參考API規(guī)范[6]，結(jié)合修井機現(xiàn)場作業(yè)情況，該井架及底座包括以下幾種載荷工況，見表4。

在修井作業(yè)過程中，修井機上底座的位置會根據(jù)不同的井口進行相應(yīng)的變化。由于B平臺油井有3列，因此本修井機上底座有3個不同的工作位置，位置1靠近左側(cè)的生活區(qū)，從左側(cè)至右側(cè)，依次為位置1至位置3，如圖4所示。

修井機在不同井位不同工況時傾覆力矩各不相同。從修井機結(jié)構(gòu)和工作井位布置分析可知，不同工況下修井機在1井位時對平臺導(dǎo)軌偏載，整個結(jié)構(gòu)偏心最大，穩(wěn)定性最差，為結(jié)構(gòu)受力最不利位置。因此只要修井機處于1位置時在各工況下滿足承載能力要求，則修井機在任何井位時均可滿足要求。

表3 井架載荷匯總表

表4 井架作業(yè)工況

圖4 井架及底座位置示意圖

3.3 有限元結(jié)果計算分析

3.3.1 有限元計算結(jié)果驗證

為驗證并修正有限元模型，對B平臺修井機井架施加與測試工況一致的載荷（只包含井架最大鉤載、鋼絲繩作用力），修井機井架應(yīng)力分布見圖5；有限元計算結(jié)果和現(xiàn)場測試結(jié)果對比情況見表5。

圖5 50 kN鉤載下井架與底座應(yīng)力及位移云紋圖

由表5中數(shù)據(jù)可知，該有限元模型計算結(jié)果與現(xiàn)場實測結(jié)果誤差較小，最大誤差為9.4%，有限元模型滿足仿真要求。

由最大鉤載工況下的應(yīng)力分布圖5可得，井架主肢應(yīng)力較大，橫撐和斜撐的應(yīng)力情況均較小，這與主肢為井架主要承載桿件的事實相符。井架最大軸向應(yīng)力出現(xiàn)在第8節(jié)右前肢，應(yīng)力為155.4 MPa，因為井架從該處開始變徑，彎曲應(yīng)力變大，且該位置處于前開口處，剛度小。

井架第1節(jié)4個主肢應(yīng)力范圍40～50 MPa，井架第6節(jié)4個主肢應(yīng)力范圍在76～90 MPa間。原因是井架第1節(jié)存在加強斜撐，該加強斜撐能將井架下體所承受作用力傳遞至人字架和鉆臺上，故井架第1節(jié)主肢受力較小。

井架上段前主肢受力基本上在90 MPa左右，后主肢受力基本在75 MPa附近，井架上段前主肢受力大于后主肢，原因是前主肢間無橫撐、斜撐，剛度較小，井架工作載荷在前主肢中產(chǎn)生較大的彎曲應(yīng)力。

由位移分布圖可見，井架整體上段位移相對下段位移大，最大位移處發(fā)生在第8節(jié)與第9節(jié)交界處，位移值1.95 cm。井架上段桿件剛度小，且結(jié)構(gòu)形式為前開口式導(dǎo)致桿件活動自由。而由于井架底部受到約束，側(cè)向變形小。

3.3.2 各工況下的分析結(jié)果

通過對有限元模型進行修正，對組合的6種工況進行有限元計算，其計算結(jié)果見表6。

通過計算，得到B平臺修井機井架在所有工況載荷下的最大應(yīng)力為190.40 MPa，出現(xiàn)在等候天氣工況（無鉤載、滿立根、側(cè)向風速47.84 m/s），位置在人字架與鉆臺支點。該應(yīng)力值小于井架所用材料的許用應(yīng)力，安全系數(shù)為1.81。其他工況下最大應(yīng)力均小于190.40 MPa，表明在上述工況下井架強度滿足工作要求。所有載荷工況下的最大位移為149.20 mm，出現(xiàn)在保全設(shè)備工況（無鉤載、無立根、正向風速55.04 m/s），位置處于天車頂橫梁處。

表5 有限元結(jié)果與現(xiàn)場應(yīng)力測試結(jié)果對比

表6 B平臺修井機井架及底座有限元計算結(jié)果

底座最大應(yīng)力出現(xiàn)在最大鉤載工況（最大鉤載、滿立根、正向風速25.21 m/s），其應(yīng)力值為107.50 MPa，位于上底座右前主肢處。該應(yīng)力值小于底座所用材料的許用應(yīng)力，安全系數(shù)為3.21。其他工況下最大應(yīng)力均小于107.5 MPa，表明在上述工況下底座強度滿足工作要求。底座最大位移為2.51 mm，出現(xiàn)在上底座左前段，此值相對于底座自身尺寸較小，說明井架整體剛度較大。

4 結(jié)論

1）該井架實際承載能力為2 250 kN，根據(jù)井架分級評定規(guī)范井架評定級別為A級，有效期為3年。

2）現(xiàn)場應(yīng)用表明，編寫的軟件系統(tǒng)計算井架承載能力結(jié)果與井架實際承載能力基本相符，軟件運行正確，應(yīng)用方便，簡化了井架承載能力評估工作并大幅提高評估效率。

3）有限元分析計算結(jié)果顯示井架及底座滿足強度要求。